نوترکیبی: نرعقیمی سیتوپلاسمی و برگرداندن باروری در گیاهان برتر(بخش دوم)

3- مکانیسمهای برگرداننده باروری

3-1 ژنتیک و عملکرد ژنهای برگرداننده باروری

اثر ژنهای برگرداننده باروری بر نسخه ها و پروتئین های چارچوب خواندن باز مرتبط با CMS به میزان زیادی مورد مطالعه قرار گرفته است. جدول یک مروری بر اعمال مورد بررسی گرفته ژنهای برگرداننده باروری، را ارائه می کند. اغلب ژنهای برگرداننده بنظر می رسد که بر میزان RNA یا حتی میزان ترجمه یا پس ترجمه اثر می گذارند. علاوه بر این، سیستمهای مختلف مارکری (RAPD, AFLP, RFLP, SSR)برای نقشه یابی ژنهای برگرداننده، بمنظور بدست آوردن مارکرهایی برای اصلاحگری برپایه مارکر (MAS) و مارکرهایی برای روشهای کلونینگ موضعی بمنظور ایزوله کردن ژنهای برگرداننده بکار گرفته شده اند. جدول 2 مروری بر آنالیز مارکری مرتبط با ژنهای برگرداننده را نشان می دهد. برای برخی گونه ها مکان ژنهای برگرداننده مختلف در ژنوم شناخته شده است.

در ذرت، برگردانندن باروری به سیتوپلاسم  Tنیازمند دو ژن غالب مکمل هسته ای رمز گذار برگرداننده باروری، Rf1وRf2، است. امکان کلون کردن ژنهای برگرداننده Rf1 و Rf2از طریق کلونینگ بر پایه نقشه یابی و همچنین برچسب گذاری- transposon فراهم شده است. اول، هر دو ژن بوسیله مارکرهای RFLP با پیوستگی بسیار نزدیک، در پنج جمعیت مورد نقشه یابی، نقشه یابی شدند. ژن Rf1 بر کروموزوم 3 میان مارکرهای مولکولی umc97 و umc92، و ژن Rf2 بر روی کروموزوم9 میان مارکرهای umc153 و sus1 موقعیت یابی شد.

موازی با روش مبتنی بر مارکر، ژن برگرداننده sus1 بطور موفقیت آمیزی از طریق روش برچسب گذاری-transposon شناسایی شد. در مرحله اول، 178300 گیاه حامل خانواده های ترنس پوزون Cy و Spm برای آلل موتانت (Rf2-m) Rf2غربال شدند. آللهای موتانت Rf2توانایی برگرداندن باروری را از دست داده اند، بنظر می‌رسد یک محصول عملکردی ژن Rf2 برای این کار ضروری است. هفت آلل  Rf2-mحاصل از برچسب گذاری-transposon مطابق با آنالیز متناظرRFLP، مستقل هستند.

ژن کلون شده Rf2 یک دهیدروژناز آلدهیدی را تولید می کند که بعنوان مواد سم زدا در tapetum عمل می کند و بدین گونه امکان تولید دانه گرده زایا را فراهم می سازد. برگرداندن کامل (یا جزیی) باروری در حضور سیتوپلاسم T تنها در شرایطی ممکن است که ژن Rf2 با یکی از سه ژن برگرداننده دیگرRf1، Rf8 یا Rf * همراه شود. هریک از آنها سبب تغییر اختصاصی پردازش نسخه های T-urf13 می شوند. همچنین برای ژن Rf1 در ذرت، شناسایی آللهای جهش یافته موفقیت آمیز بوده است. هر چهار آلل rf1-m در گیاهان نرعقیم، همراه یکدیگر، با روند همیشگی افزایش تجمع نسخه های 1.6و0.6کیلوبازی T-urf13، تفرق می یابند. این نسخه ها، پردازش مشتقات نسخه های 2.0 یا 1.8kbکه از اختصاصات سیتوپلاسم Tهستند را نشان می دهند. یک محصول عملکردی ژن Rf1 و  Rf2، بنظر می رسد که برای تغییر الگوی رونویسی ژن T-urf13 و احیای پلی پپتید اختصاصی  CMSضروری است. Rf8 منجر به تجمع دو رونوشت 1.42و0.42 کیلوبازی Rf* و تجمع رونوشت های 1.4 و 0.4 کیلو بازی T-urf13می شود. انتهاهای’5 دو گروه رونوشت، تنها 22 نوکلئوتید مجزا بوده و یک توالی موتیف حفاظت شده 5’-CNACANNU-3’3 را نشان می دهند. 

در سیتوپلاسم S ذرت، صرف نظر از رونوشت های 2.8و 1.6 kb، که مشخصه منطقه orf355-orf 77اختصاصی CMSهستند، نسخه های اضافی جدید 0.75 ،1.1 و 2.1 kb این ناحیه در میکروسپورهای در حال رشد در حضور ژن برگرداننده Rf3 مشاهده شده اند. ژن Rf3 بنظر می رسد که بر پردازش نسخه های اختصاصی CMS موثر است. ژن Rf3 مسئول برگرداندن باروری در حضور S-cytoplasm در ذرت، بر بازوی بلند کروزموزوم2 به فاصله 3/4 سانتی مورگان از لوکوس whp وفاصله 4/6 سانتی مورگان از مارکر مجاور .bnl17.14 (مارکر RFLP) نقشه یابی شده است.

در برنج، تاکنون شش ژن برگرداننده باروری برای سیتوپلاسم CMS در ژنوم موقعیت یابی شده اند. ژن برگرداننده Rf-1 مسئول برگرداندن باروری سیستم گامتوفیتی cms-BT (تحت عنوان cms-bo نیز شناخته می شود) می باشد. Rf-1 نزدیک مارکر G4003 و در فاصله 3.7 cM از ORS33 بر روی کروموزوم 10 شناخته شده است. در این میان، یک ژن کاندید برای Rf-1ایزوله شده است. ژن برگرداننده Rf2 سیستم CMS-L بر کروموزوم 2 واقع است. مطالعات ژنتیکی سیستم ساپروفیتیcms-WA در برنج نشان می دهد که دو ژن برگرداننده، Rf3 بر روی کروموزموم 1 وRf4 بر روی کروموزم10، برای برگرداندن باروری ضروری هستند. Rf4 نزدیک به ناحیه S10019 و درفاصله 0.9 cM از مارکر Y3-8 نقشه یابی شده است. برای سیستم گامتوفیتیcms-HL، ژنهای برگرداننده باروری، Rf5 و Rf6(t) ، بر روی کروموزوم 10 به ترتیب در لاین‌های MY23 و 93-11 مکان یابی شده اند. آنالیز لینکاژ بیان می دارد که این ژنها به ترتیب با مارکرهای SSR-markers، RM3150 و RM5373، تفرق می یابند و بنابراین در فاصله کمی از ژن های Rf1 و Rf4 که بر روی کروموزوم 10 جای گرفته اند، مکان یابی شده اند.

یک BAC-clone 105 کیلوبازی که حامل لوکوسRf6(t) است از کتابخانه BAC برنج ایزوله شده است. بر اساس ترکیب نقشه یابی دقیق فیزیکی و جستجوهای BLASTX توالی های مارکر در پایگاه داده های ژنومی، منطقه ژن کاندید به منطقه ای 66 kb محدود می شود.

در چاودار، ژن برگرداننده نرباروری Rfg1 به سیتوپلاسم نرعقیم G-cytoplasm، بر کروموزوم 4RL و دور از سه مارکر RFLP به نامهایXprs167, Xpsr899, Xpsr119 و چهار مارکر رپید(XP01, XAP05, XR11, XS10) نقشه یابی شده است. Rfg1 ممکن است آلل ژن مسئول برگرداندن باروریP-cytoplasm و آلل ژنRfc4 که برگرداننده باروری به گندم هگزاپلویید دارای سیتوپلاسم T. timopheevi که قطعه کروموزومی 4RL چاودار به آن اضافه شده است، باشد.

در Phaseolus vulgaris، دو ژن برگرداننده FrوFr2، بازگشت باروری به CMS-Sprite را بوسیله دو مکانیسم متفاوت میسر می سازند. Fr2از بیان ناحیه pvsمرتبط با CMSممانعت می کند، در حالیکه Fr منجر به حذف برگشت ناپذیر این ناحیه می شود. در حضور هر دو ژن، بیان ناحیه pvsکاهش می یابد، اما ناحیه pvsحذف نمی شود، اگرچه محصول ژن ناحیه pvs بنظر می رسد که برای این ضروری است. در صورت بازگشت خود بخود باروری، مولکول پیش ساز که حاوی pvs-orf239 است، در مقادیر sub-stoichometric در ژنوم برگشتی باقی می ماند. با استفاده از بالک افتراقی، چهار مارکر رپید پیوسته به ژن Frمشخص شده اند. علاوه بر ژن Fr-و Fr2، دو ژن برگرداننده اضافی، FrPI207228 و FrXR235، عملکردی مانند Fr2، را نشان می‌دهند. هر چهار ژن بر یک گروه پیوستگی نقشه یابی شده اند، بنایراین احتمالا Fr2, FrPI207228 و FrXR235 آلل هستند.

در اطلسی، یک مارکرAFLP به نام ECCA/MCAT و مارکرهای رپید OP704, OP413،OP51 و OP605، در فاصله نزدیکی از ژن Rf قرار دارند. OP704, CT24 و ECCA/MCAT با قطعه MluIهیبرید شده اند که اندازه آن 650 kb است. فاصله ژنتیکی میان مارکرهایOP704, CT24 و ECCA/MCAT برابر با 1.6 cM تخمین زده شده است و نسبت میان نقشه ژنتیکی و فیزیکی 400kb/Cm برای ناحیه ژنومی اطراف ژن Rf در اطلسی محاسبه شده است. ژن برگرداننده در میانه ایزوله شده است.

در کلزا، دو ژن برگرداننده، Rfp1و Rfp1، که در برگرداندن باروری به CMS Polima نقش دارند، در یک لوکوس ژنی بر کروموزوم 18 موقعیت یابی شده اند. حدس زده می شود که آنها آللهای این لوکوس را نشان می دهند. برای Ogura CMS-system، سی مارکر RAPD وRFLP شناسایی شده اند که همراه با ژن Rfoدر تلاقی R40 ×Yuda تفرق می یابند. ژن Rfo اخیرا کلون شده است.

درBeta vulgaris ssp. maritima، مارکرهای RFLP و RAPD پیوسته با ژن برگرداننده باروری R1H نوع H میتوکندری شناخته شده اند. نزدیکترین مارکرRFLP،pKP753، در فاصله  1.7 cMژن و مارکر بعدی رپید، K111000، با فاصله 5.2 cM در طرف دیگر ژن نقشه یابی شده است.

در آفتابگردان، دو ژن برگرداننده، Rf1 و Rf2، بنظر می رسد که برای برگرداندن باروری به سیتوپلاسم PET1 ضروری هستند. اما، یکی از ژنهای برگرداننده همچنین در اغلب لاینهای نگهدارنده وجود دارد بنابراین در اغلب موارد تنها Rf1 به هیبریدهای لاین برگرداننده وارد شده است. ژن برگرداننده Rf1برای سیتوپلاسم PET1، بطور اختصاصی نسخه های atpA و orfH522 در پرچمهای هیبریدهای بارور را کاهش می دهد. میزان پلی آدنیلاسیون بنظر می رسد که در متلاشی شدن mRNAبوسیله RNase 2 میتوکندریایی نقش بازی می‌کند. یکی از دو ژن برگرداننده در آفتابگردان ممکن است پلی آدنیلاسیون رونوشت atpA-orfH522 را کنترل کند. ژن برگرداننده Rf1بر گروه لینکاِژی 13 نقشه ژنتیکی عمومی آفتابگردان نقشه یابی شده است. سه مارکر AFLP به نامهای ,E32M36-155 ,E42M76-125 وE44M70-275 و سه مارکر رپیدOP-K13_454, OP-Y10_740 و OP-H13_337 پیوستگی نزدیکی با ژن برگرداننده Rf1 دارند.

مارکرهای رپید بطور موفقیت آمیزی به مارکرهای STS و یک مارکر CAPS تبدیل شده اند که برای MAS مورد استفاده هستند. یک کتابخانه  BACآفتابگردان برای شناسایی کلونهای  BACدر اطراف ژن برگرداننده Rf1استفاده شده اند. برای دیگر سیتوپلاسم‌های CMS مانند  PEF1, PET2یا ANN4، لاین‌های برگرداننده می‌توانند شناسایی شوند اما ژنهای برگرداننده هنوز بر روی نقشه ژنتیکی عمومی آفتابگردان نقشه یابی نشده اند.

ارزیابی محل ژنهای برگرداننده در ژنومهای گونه های گیاهی مختلف نشان می دهد که ژنهای برگرداننده انواع مختلف CMS بنظر می رسد که در سراسر ژنوم توزیع شده اند، اما در برخی گونه ها آنها بر یک کروموزوم واقع شده اند یا ممکن است آللهای یک ژن باشند.

نوترکیبی: نرعقیمی سیتوپلاسمی و برگرداندن باروری در گیاهان برتر(بخش اول)

نوترکیبی: نرعقیمی سیتوپلاسمی و برگرداندن باروری در گیاهان برتر(بخش سوم و پایانی)